虚拟制造与网络制造

一、绪论产生背景社会发展、科技进步、生活节奏加快市场瞬息万变，反应速度意味着商机制造业竞争重点的变迁规模60s成本70s质量80s速度90s产生背景全球经济一体化：全球制造网络、WTO制造产业信息化：电子商务、EDI电子数据交换消费个性化：顾客化大生产相关研究计划先进制造技术计划（美国）关键技术(制造)计划（美国）敏捷制造使能技术计划(TEAM)（美国）智能制造(IMS)技术国际合作计划（日本)制造2000年计划（德国）高级先进制造技术计划(G-7)（韩国）最新研究进展利用虚拟制造技术，MD公司对MD-11型飞机压式空气门的再设计,使零件数减少36%，装配操作减少34%，重量减少107镑。美国国防先进研究工程机构创建了基于因特网的制造系统的敏捷基础结构。美国海军开发的集成制造数据环境系统中已采用美国Computervision公司研制的虚拟制造系统软件EPD.Connect。福特汽车公司的FordC3P集成系统，为公司的内给部门或其供应商提供了各种信息，使每年的成本下降了2亿多美元。波音公司的777客机，在IBM公司的计算机辅助三维交互式系统Catia的支持下，在虚拟制造环境中，由2200个工作站和8个大型机分布式处理大量数据，分别在美国、日本、巴西和澳大利亚等地生产的机身部件一次装配成功，偏差仅为0.3毫米。美国斯坦福大学快速制造实验室用SLS方法制成战斗直升飞机螺旋浆产品样件用于各种性能测试。美国的机电装备制造技术已进入微组装的新一代。二、虚拟制造虚拟制造的相关定义（1）日本Kimura：通过对制造知识进行系统化组织与分析，对整个制造过程建模，在计算机上进行设计评估和制造活动仿真。佛罗里达大学GloriaJ.Wiens：虚拟制造与实际一样在计算机上执行制造过程，其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。虚拟制造的相关定义（2）美国空军Wright实验室：虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层设计制造和生产决策与控制的能力。Marinov：虚拟制造是一个系统，在这个系统中，制造对象、过程、活动和准则的抽象原型被建立在基于计算机的环境中，以增强制造过程的一个或多个方面的属性。虚拟制造的相关定义（3）马里兰大学EdwardLin：虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的一体化的、综合性的制造环境。清华大学肖田元：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上实现产品开发、制造，以及管理与控制等制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟制造的定义一个在计算机网络及虚拟现实环境中完成的，利用制造系统各层次及不同侧面的数学模型，对包括设计、制造、管理和销售等各个环节的产品全生命周期的各种技术方案和技术策略进行评估和优化的综合过程。虚拟制造技术的定义是一门以计算机仿真技术、制造系统与加工过程建模理论、VR技术、分布式计算理论、产品数据管理技术等为理论基础，研究如何在计算机网络环境及虚拟现实环境下，利用制造系统各层次及各环节的数字模型，完成制造系统整个过程的计算与仿真的技术。虚拟制造系统的定义是一个在虚拟制造技术的指导下，在计算机网络和虚拟现实环境中建立起来的，具有集成、开放、分布、并行、人机交互等特点的，能够从产品生产全过程的高度来分析和解决制造系统各个环节的技术问题的软硬件系统。虚拟制造的特点集成性反复性并行性人机交互性虚拟制造与实际制造的关系虚拟制造是对实际制造活动的抽象实际制造是虚拟制造的实例虚拟制造是一种更高层次上的计算机技术在设计、制造、管理等各个环节中的应用以设计为中心的VM目标：1优化设计及优选工艺2加工方案评价产品设计概念以生产为中心的VM目标：1资源优化2选择评价工艺3验证新工艺供设计者参考的制造信息新产品模型新产品工艺产品制造信息工厂资源以控制为中心的VM目标：1优化车间控制2优化制造过程车间机床控制系统虚拟生产计划新工艺及对应的信息质量估计虚拟产品原型、成本估算CAD/CAM已有的模型和工艺日程模型逻辑模型过程模型成品模型参数虚拟制造的分类虚拟制造的理论基础虚拟制造的理论基础建模理论仿真理论并行计算连续系统建模离散系统建模机理建模辩识建模神经网络建模模糊神经网络建模模糊建模实体流图法活动周期图法Petri网法连续系统仿真离散系统仿真实时仿真事件调度法活动扫描法进程交互法点对点通信全局通信并行控制与任务组处理机拓扑并行I/O可视化交互建模体系结构模型说明语言运行参数实验VIM环境体系结构可视化参数分析可视化VIS环境体系结构交互式用户模型生成器模型说明模型分析模型转换结果可执行模型虚拟制造的体系结构人机交互接口个性化用户界面通讯协议和数据交换标准(IGES、STEP等)网络及物理链路、硬件设备产品模型、数据、只是和规则基于COBRDA（DCOM）的分布集成框架虚拟设计平台虚拟加工平台虚拟控制平台界面层框架层应用层数据层协议层网络层虚拟制造的功能框图产品建模产品异地设计零部件分析优化快速原型生产工艺优化工具设计优化刀位控制参数优化刀位轨迹参数优化加工方案评估虚拟实验虚拟检测工艺模型验证产品模型实验：虚拟机床生产计划仿真优化虚拟生产布局虚拟设备集成虚拟装配虚拟生产平台服务器虚拟企业平台服务器企业协同工作环境企业虚拟运行企业运行仿真产品优化设计产品性能评价可制造性评价虚拟设计虚拟制造虚拟生产虚拟企业运动学模型传感器输入运动系统其它输入力域温度域切削过程工件属性热力学模型刚度模型伺服模型精确模型机床系统切削系统结构系统NC代码位移虚拟机床模型输入\输出模块（NC系统功能界面）运动控制模块轴号匹配模块虚拟机床控制接口逻辑轴号、位置物理轴号、位置各轴位置数据、刀号、行号NC程序系统参数虚拟操作面板信息虚拟操作面板返回信息虚拟操作面板虚拟机床控制信息虚拟机床其它控制信息虚拟机床反馈信息虚拟数字控制子系统虚拟机床子系统虚拟机床反馈信息虚拟CNC系统体系结构虚拟装配设计环境VADE基于虚拟现实的训练系统计算机辅助过程规划系统机器人路径规划系统专用的装配设备设计VADE环境CAD环境DFA分析确定的有穷自动机轨迹信息序列信息部件几何特征属性及装配信息等轨迹及序列信息设计变化的建议使能技术多通道交互网络环境下知识获取与建库基于VR的计算可视化虚拟环境建模产品建模数据转换与处理虚拟制造的使能技术使能技术之一多通道交互技术虚拟现实设备的软硬件接口驱动技术大面积纹理的可见性快速显示技术信息与时间的同步技术真实感渲染的三维图形加速技术三维定位跟踪设备的定标技术人像分离与多传感信息的融合技术虚拟环境建模技术图像图形混合建模技术场景预处理技术虚拟声的生成与增强技术多细节层次建模技术智能化视区裁剪技术基于图像的绘制技术使能技术之二产品建模技术零部件的物理建模方法工程分析的有限元计算方法工程分析结果的多准则图示方法基于物理的工程行为特征建模方法工程对象的单元化划分方法使能技术之三数据转换与处理技术数据文件格式转换技术产品数据管理技术使能技术之四网络环境下知识获取与建库技术网络化异构知识与数据信息的统一表达基于VR的产品设计与制造集成过程链网络环境下虚拟产品数据与指令的传输与共享分布式虚拟仿真节点的协同与自治虚拟场景的快速漫游、绘制与网络传输基于多Agent的虚拟企业信息重组与集成使能技术之五基于VR的科学计算可视化技术多通道技术与可视化技术的映射机理与操纵方法特征可视化与拓扑结构分析基于VR的可视化与驾驭计算分布式的计算与可视化环境的协同使能技术之六虚拟制造的关键技术关键技术虚拟设计与装配技术虚拟实验技术虚拟生产技术虚拟产品实现技术虚拟检测与评价技术虚拟纹理分析技术关键技术之一虚拟设计与装配技术虚拟产品形状设计虚拟装配/拆卸设计与优化虚拟样机具有力觉的虚拟装配虚拟产品实现技术基于表面质量分析的切削参数选择远程机器人操作与监控虚拟测量技术关键技术之二虚拟加工虚拟检测与评价技术虚拟表面接触刚度分析基于应力的加工质量评价装配信息建模刀位轨迹检查及碰撞干涉检验工艺过程规划与仿真关键技术之三虚拟实验技术虚拟测试虚拟样机的性能评价虚拟试验的运行平台关键技术之四虚拟试验的物理建模虚拟生产技术虚拟生产线/车间实时三维布局基于VR的网络化分散制造仿真与评价生产线/车间生产过程虚拟仿真关键技术之五分布式虚拟制造虚拟制造中的多智能体体系结构多智能体系统与虚拟现实仿真分布式虚拟环境分布式虚拟制造的特点支持智能体的自主性和相对独立性，使其能够根据内部状态和外部消息事件控制自身的行为支持数据、过程以及通信设施的封装，使智能体有明确的边界、标识和引用的概念支持消息的通信，直接给出与通信意图有关的信息支持新的过程加入以及数据与通信信息修改的重组能力分布式虚拟制造的关键技术规模和功能可扩展的异构型软件结构自然的人-机交互技术网络通信和网络协议异构性分布式环境动态可扩展性安全性设施DVE系统与工具的开发三、网络制造通过计算机网络组织起来的制造体系NetworkedManufacturingSystem网络制造NM网络制造的定义基于虚拟现实、计算机网络、Multi-Agent等支撑技术，构筑网上虚拟企业，重组各种生产与制造资源，实现对异地产品设计和功能的仿真，进而快速生产出满足用户要求的产品的整个制造过程。网络制造的主要特点快速响应市场变化资源的充分利用稳定和提高产品质量减小企业风险市场竞争的新要求对市场需求的快速反应各种资源的集成与共享各种资源的合理利用基于网络的信息获取与融合网络技术创新机制虚拟现实信息技术设计与制造系统与过程网络化制造制造业的发展必然网络制造提高快速反应能力现有制造资源的快速调集与充分利用制造企业快速重组、动态联盟、虚拟企业并行工程与虚拟制造的跨时空性分担基础设施建设费用、减少商务风险减少产品投放市场所需时间增加市场占有份额、快速进入市场网络制造的支撑技术网络通讯技术并行工程虚拟现实技术数控技术现代检测与信息融合技术快速成形技术激光技术网络制造的理论模型基究础研研发机构网管中心制造企业制造企业制造企业制造企业远控程监网计上设企作业协享资共源制断造诊互联网互联网网络制造的功能模型网络制造系统平台资源共享网上设计网上制造网上仿真远程监控远程诊断信息发布远程教育研发机构、企业间的科研协作与网上制造网络制造的体系结构快速原型产品产品仿真Internet/Intranet决策支持系统虚拟现实系统设计系统快速成型系统*工艺计划*相关机床*材料CAPP系统*机床*材料*CNC，MC，FMSCAM系统*定单*查询*检索顾客服务系统*功能分析*质量评价*成本与价格最终产品数据库制造企业研究机构研究人员动态选择动态选择制造企业研究机构研究人员Internet市场机遇机遇1机遇2机遇n企业网络成员企业虚拟企业1虚拟企业2虚拟企业3分布式虚拟制造企业网络动态联盟决策的过程模型组织学习3.期望收益的净现值6.基于净利润的选择文化7.目标风险8.风险评估政府目标一致相互吸引共同的危机外部激励联盟障碍1.问题定义2.解决方案的确定和合作机会的认知4.交易成本及其它成本的期望净现值5.额外的风险补偿费用9.联盟治理机制网络制造的基本内涵网上产品快速设计与制造系统（网上制造车间）快速制造基础理论CAD/CAM一体化技术智能监控与诊断技术快速制造生产模式虚拟设计与制造技术开放式制造自动化技术网络制造技术主要内容之一快速制造基础理论开放式体系结构建模、调度与优化海量制造信息的存储规范与管理多智能体与自组织的理论与方法几何信息表示方法与几何推理体系制造知识的表征、获取与传递制造过程中的可负担性分析方法主要内容之二快速制造生产模式网络化组织结构ERP系统企业敏捷性和柔性的测度和评价方法资源快速有效集成技术互联网环境下的数据信息模式与管理方法主要内容之三虚拟设计与制造技术虚拟制造建模技术虚拟制造信息交换技术虚拟制造仿真技术产品可装配性评价技术远程产品快速反应制造的虚拟制造